控制电缆的串扰问题与对策

对于两根平行的导线，当电缆的长度与波长相比很短（小于1/20波长）时，可以用集总参数模型来描述电容耦合，如图2所示。这样就可以用电路分析的方法来计算串扰电压。计算的结果如下。
频率很低时，R远小于C12和C2G构成的阻抗，即R<<1/[jω（C12+C2G）]，在这个条件下，串扰电压为：
VN=jωRC12V1
从公式中可以看出，电容耦合的强度直接与频率、被干扰导体对地电阻、两导体之间的电容成正比。
频率很高时，R远大于C12和C2G构成的阻抗，即：R>>1/[jω（C12+C2G）]，在这个条件下，串扰电压为：
VN=V1[C12/（C12+C2G）]
从公式中可以看出，电容耦合的强度与频率和电路的阻抗都无关，而仅与两个导体之间的电容和接收导体与地之间的电容有关，这些参数都与导线的结构直接相关。
导线之间的互感性串扰如图2所示，当回路1中有电流I流过时，不仅会在回路1中产生磁通Φ，而且会在电路2中产生磁通Φ12，回路2中的磁通量Φ12与电流I1之间通过一个系数M来确定，这个M就是互感。
M=Φ12/I1
根据电磁感应定率，当一个闭合回路的磁场发生变化时，就会在回路中产生感应电压。因此，Φ12在回路2中产生了感应电压，电压值为：
VN＝dΦ12/dt=M.dI1/dt
这说明回路1中的能量耦合进了回路2形成干扰电压，并且这个电压是回路1中电流的微分。
消除串扰的方法
从上面的串扰电压公式中可以看出哪些参数对串扰电压有影响，在实际工程中可以采取下面一些具体措施来控制这些参数。
1.减小电容性串扰的方法如下。
（1）将受干扰导线屏蔽起来，并将屏蔽层接到受干扰电路的公共地上，就可以减小电容性串扰，屏蔽层应尽量完整（使芯线暴露出来的部分尽量短），当干扰电压的频率较高（λ<20L）时，需要将屏蔽层多点接地；
（2）增加导线之间的距离（减小C12）；
（3）将受干扰导线靠近参考地（增加C2G）；
（4）可能时，在受干扰电路的输入端安装对地的电容；
（5）在运行继电器的线圈上并联适当规格的电阻或电容。
2.减小电感性串扰方法如下。
（1）增加两个回路之间的距离，第二个回路中的磁通量自然会减少；
（2）使回路1的信号线与回线尽量靠近（从图2中看出，回路1的信号线与回线在回路2中产生的磁通方向相反，因此相互抵消）；
（3）减小回路2的面积；
（4）调整两个回路的相对位置、角度关系。
一、串扰消除方法在工程实践中的应用
运用上述分析结果，本人成功地将上述理论应用到了工程实践中并取得了较好的效果。2004年8月份本人在合肥东机务段组织施工一条500米长的KVV22500V24X2.5型控制电缆，此电缆主要用于电机控制柜和现场电机控制箱之间的连接。两台控制箱均控制防爆电机（该电机用于给内燃机车加燃油）。该单位原有3个加油控制站，现因工作需要增加1个。
敷设完毕并按图4、图5接线后，测量感应电压的大小，最高的一芯高达80V，最低约十几伏特。因为控制电缆接在工作电压为交流220V的小型继电器上，所以80V左右的线圈感应电压使得继电器嗡嗡作响，有时运行时按停止按钮停不了电动机，这样电路的不可靠是生产所不允许的。所以本人采用在继电器线圈上并接8.7KΩ电阻（当时施工现场只有这种阻值的电阻）的方式使得感应电压由80V降到了十几伏特。这样一直正常运行到现在。该电阻的选择应该要考虑两方面的因素，其一是将感应电压释放得尽可能的低，以不影响电路的正常工作；其二是电阻功耗要尽可能的小，以利节能。
事实上，用小功率的白炽灯泡代替感应电释放电阻最好，因为它有冷、热态电阻值差别10多倍的优良特性。利用其冷态时的低阻将感应电释放到足够低的值，不致于影响电路的正常运行；利用其热态时（继电器运行时其上加有交流220V电压）的高阻降低其功耗，以达到节能的目的。但是，考虑到它有一定的亮度，业主没有同意采用这种方式。本人认为当工作环境允许时，应优先考虑采用这种方式。
二、结束语
根据以上分析，并结合笔者经历的工程实例，充分证实了运行继电器线圈两端并联适当阻值的电阻可以消除控制电缆串扰问题。当然，对于控制电缆串扰问题的解决也可以尝试采用其他方法，本文未作详解。希望这篇文章对广大工程技术人员在工程实践中解决类似问题有所借鉴。